45 盾构机原理及性能

盾构机原理及性能
钱学艺
广州轨道交通建设监理有限公司
南京地铁3号线TA08标邮编211189
摘要
我在南京地铁土建标段担任安全监理工程师工作。

在工作中经常接触到盾构机，仔细阅读了海瑞克S676土压平衡盾构机的技术文件，对现场使用的海瑞克盾构机有了一定的了解，现将土压平衡式盾构机结合我在现场对盾构机的理解做一个简单的介绍。

关键词盾构机概念原理性能
1盾构机的概念
它是一种隧道掘进的专用工程机械，它集光、机、电、液、传感、信息技术于一体的大型智能化机械。

具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。

盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

2盾构机的工作原理
盾构机使用旋转的刀盘○2
松动掘进面的泥土○1，通过刀盘
的缝隙将泥土压入挖掘仓○3，在
挖掘仓内注入适量水将泥土塑
化泥团，推进油缸○5通过防水壁
○4挤压挖掘仓，使仓内保持一定
的压力，用特制的螺旋机○6将仓
内的泥土输送到皮带机上，由皮
带机输送到运土车上带出地面。

由于推进油缸推进长度超过预
制管片的宽度后，用管片拼装机
进行管片○7拼装。

拼装好的管片外侧与盾构机挖掘直径之间存在有间隙，通过盾尾钢壳○8的注入口对其缝隙注入水泥浆进行填充。

从而保证地面不会沉降、管片缝隙不会漏水和确保隧道的工程质量。

3盾构机的参数
海瑞克盾构机的刀盘直径：6480mm；盾构机直径：6450mm；管片直径6200mm；刀盘驱动油马达8个；推进油缸32个，推力42000KN；螺旋机功率200KW；盾构机总功率约1687KVA；总长（含台车）81米。

4盾构机的组成
盾构机主要由10大部分组成，他们分别是盾体、刀盘、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、
排土机构、后配套装置、电气系统、辅助设备和附属检测设备。

4.1盾体
盾体主要包括前盾、中盾和盾尾三部分，这三部分都是管状筒体，其外径是6．48m。

前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。

承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。

前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有32个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力，这32个千斤顶按上下左右被分成A、B、C、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。

中盾的后边是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。

这种铰接连接可以使盾构机易于转向。

4.2刀盘
刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体，刀盘的开口率约为28％，刀盘直径6．48m，也是盾构机上直径最大的部分，一个带四根支撑条幅的法兰板用来连接刀盘和刀盘驱动部分，刀盘上可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，刀盘的外侧还装有一把超挖刀，盾构机在转向掘进时，可操作超挖刀油缸使超挖刀沿刀盘的径向方向向外伸出，从而扩大开挖直径，这样易于实现盾构机的转向。

超挖刀油缸杆的行程为50mm。

刀盘上安装的所有类型的刀具都由螺栓连接，都可以从刀盘后面的泥土仓中进行更换。

法兰板的后部安装有一个回转接头，其作用是向刀盘的面板上输入泡沫或膨润土及向超挖刀液压油缸输送液压油。

4.3刀盘驱动
刀盘驱动由螺栓牢固地连接在前盾承压隔板上的法兰上，它可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向上实现0~6转/每分钟的无级变速。

刀盘驱动主要由8组传动副和主齿轮箱组成，每组传动副由一个斜轴式变量轴向柱塞马达和水冷式变速齿轮箱组成，其中一组传动副的变速齿轮箱中带有制动装置，用于制动刀盘。

安装在前盾右侧承压隔板上的一台定量螺旋式液压泵驱动主齿轮箱中的齿轮油，用来润滑主齿轮箱，该油路中一个水冷式的齿轮油冷却器用来冷却齿轮油。

4.4双室气闸
双室气闸装在前盾上部，它是通向挖掘仓的通道，由前室和主室两部分组成。

当掘进过程中刀具磨损后，检修人员进入到挖掘仓检查及更换刀具时，要使用双室气闸。

在进入泥土仓时，为了避免开挖面的坍塌，就要在泥土仓中建立并保持与该地层深度土压力与水压力相适应的气压，这样工作人员要进出泥土仓时，就存在一个适应泥土仓中压力的问题，通过调整气闸前室和主室的压力，就可以使检修人员逐步适应常压至挖掘仓压力之间的变化。

特别注意！！！只有通过高压空气检查和受到相应培训并有相关资质且经过医师书面确认身体健康的检修人员，才可以通过气闸进出有压力的挖掘仓进行检修工作。

因人员进出挖掘仓要进行增压-检修-减压的过程时间较长，要将一定的饮用水、食品和一些应急抢险物资预先放入双室气闸内，同时双室气闸外面要有应急抢险人员进行监护并保证气闸内的氧气充足、通讯畅通。

4.5管片拼装机
管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。

拼装机大梁用法兰连接在中盾的后支撑架上，拼装机的支撑架通过左右各两个滚轮安放在拼装机大梁上的行走槽中，一个内圈为齿圈形式外径3．2m的滚珠轴承外圈通过法兰与拼装机支撑架相连，内圈通过法兰与旋转架相连，拼装头与旋转支架之间用两个伸缩油缸和一个横粱相连接。

安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通过驱动滚珠轴承的内齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各200度，它有六个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。

4.6排土机构
盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。

碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至第四节台车的尾部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将士箱吊至地面，并倒入碴土坑中。

螺旋输送机有前后两个闸门，前者关闭可以使泥土仓和螺旋输送机隔断，后者可以在停止掘进或维修时关闭，在整个盾构机断电紧急情况下，此闸门也可由蓄能器贮存的能量自动关闭，以防止开挖仓中的水及渣土在压力作用下进入盾构机。

4.7后配套设备
后配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、五节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等。

4.7.1管片运输设备
管片运输设备包括管片运送小车、运送管片的电动葫芦及其连接桥轨道。

管片由龙门吊从地面下至竖井的管片车上，由电瓶运输车牵引管片车至第一节台车前的电动葫芦上方，由电动葫芦吊起管片向前运送到管片小车上，由管片小车再向前运送，供给管片拼装机使用。

4.7.2一号台车及其上的设备
一号台车上装有盾构机的操作室及注浆设备。

盾构机操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、盾构机PLC自动控制系统、隧道掘进激光导向系统电脑及螺旋输送机后部出土口监视器。

注浆装置主要包括两个注浆泵、浆液箱及管线。

在竖井，浆液被放入浆液车中，电瓶车牵引浆液车至盾构机浆液箱旁，浆液车将浆液泵入浆液箱中。

两个注浆泵各有两个出口，这样总共有四个出口，四个出口直接连至盾尾上圆周方向分布的四个注浆管上，盾构机掘进时，由注浆泵泵出的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环隙中，浆液凝固后就可以起到稳定管片和地层的作用。

4.7.3二号台车及其上的设备
二号台车上有包含液压油箱在内的液压泵站、膨润土箱、膨润土泵、盾尾密封油脂泵及润滑油脂泵。

液压油箱及液压泵站为刀盘驱动、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机、管片运输小车、螺旋输送机、注浆泵等液压设备提供压力油。

泵站上装有液压油过滤及冷却回路，液压油冷却器是水冷式。

盾尾密封油脂泵在盾构机掘进时将盾尾密封油脂由12条管路压送到三排盾尾密封刷与管片之间形成的两个腔室中，以防止注射到管片背后的浆液进入盾体内。

润滑油脂泵将油脂泵送到盾体中的小油脂桶中，盾构机掘进时，4kw电机驱动的小油脂泵将油脂泵送到主驱动齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头中。

这些油脂起到两个作用，一个作用是被注入到上述三个组件中唇形密封件之间的空间起到润滑唇形密封件工作区域及帮助阻止赃物进入被密封区域内部的作用，对于螺旋输送机齿轮箱还有另外一个作用，就是润滑齿轮箱的球面轴承。

4.7.4三号台车及其上的设备
三号台车上装有两台螺旋式空压机、一个1立方米贮气罐、一组配电柜及一台二次通风机。

螺旋式空压机可提供8Bar的压缩空气并将压缩空气贮存在贮气罐中，压缩空气可以用来驱动盾尾油脂泵、密封油脂泵和气动污水泵，用给人闸、开挖室加压，用来操作膨润土、盾尾油脂的气动开关，用来与泡沫剂、水混合形成改良土壤的泡沫，气动工具等。

二次风机由11kW的电机驱动，将外面送进来的新鲜空气再次输送至盾构机的中盾位置处的，继续向前输送至盾体附近，以给盾构机提供良好的通风。

4.7.5四号台车及其上的设备
四号台车上装有电力变压器、散热器、水泵、储气罐、。

风管盒中装有折叠式的风管，风管与竖井地面上的风机连接，向隧道中的盾构机里提供新鲜空气。

新鲜空气通过风管被送至中盾的位置。

4.7.6五号台车及其上的设备
五号台车上装有电缆卷筒、水管卷筒、风管盒、皮带运输机。

铺设在隧道中的两条内径为100mm 的水管作为盾构机的进、回水管，将外面的蓄水池与水管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱动盾构机用水在蓄水池和盾构机之间循环。

正常掘进时，进入盾构机水循环系统的水有以下的用途：对液压油、主驱动齿轮油、空压机及刀盘驱动副变速箱进行冷却，并为泡沫剂的合成提供用水，也可以给盾构机及隧道清洁用水。

蓄水池中的水用冷却塔进行循环冷却4.8电气设备
盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压器、配电柜、动力电缆、控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺旋输送机后部出土口监视器、电机、插座、照明、接地等。

盾构设备的电器系统最小保护等级为IP55。

主供电电缆安装在电缆卷筒上，10kV的高压交流电由地面通过高压电缆沿隧道输送到与之连接的主供电电缆卷筒上，通过变压器转变成交流400V、50Hz的低压电源进入控制柜，经PLC控制所有液压油泵、皮带机、泡沫剂泵、合成泡沫用水水泵、膨润土泵等提供动力。

当电机的功率在30kW以下时，采用直接起动的方式，当电机的功率大于30kW时，为了降低起动电流，采用星形—三角形起动的方式。

由控制柜输出给各种用电设备。

西门子S7-300 PLC是该盾构机控制系统中的核心部件，控制系统用于控制盾构机掘进、拼装时的各主要功能。

盾构机要掘进时，盾构机司机按下操作控制台上的掘进按钮，一个电信号就被传到PLC控制系统，PLC就会按预定逻辑关系执行控制各种相应的设备。

控制系统首先分析推进的条件是否具备(如推进油缸液压油泵是否打开，润滑脂系统是否工作正常等)，如果推进的条件不具备，就不能推进，如果条件具备，控制系统就会使推进按钮指示灯变亮，同时控制系统也会给推进油缸控制阀的电磁阀供电，电磁阀通电打开推进油缸控制阀，盾构机开始向前推进。

PLC 安装于控制室内，在配电柜里装有远程接口，与操作控制台的控制电脑及隧道激光导向系统电脑相连，实现远程监控。

盾构机操作室内的操作控制台和移动装置旁边的现场控制台(如管片拼装机、管片吊车、管片运送小车等)用来操作盾构机，实现各种功能。

操作控制台上有控制系统电脑显示器、实现各种功能的按钮、调整压力和速度的旋钮、显示压力或油缸伸长长度的显示模块及各种钥匙开关等。

在螺旋输送机后部出土口和皮带机的后方装有摄像头用来监视出土情况。

4.9辅助设备
辅助设备包括数据采集系统、隧道激光导向系统、注浆装置、泡沫装置、膨润土装置。

4.9.1数据采集系统
数据采集系统的硬件是一台有一定配置要求的计算机和能使该计算机与隧道中掘进的盾构机保持联络的调制解调器、转换器及电话线等原件。

该计算机可以放置在地面的监控室中，并始终与隧道中掘进的盾构机自动控制系统的PLC保持联络，这样数据采集系统就可以和盾构机自动控制系统的PLC具有相同的各种关于盾构机当前状态的信息。

数据采集系统按掘进、管片拼装、停止掘进三个不同运行状态段来记录、处理、存储、显示和评判盾构机运行中的所有关键监控参数。

通过数据采集系统，地面工作人员就可以在地面监控室中实时监控盾构机各系统的运行状况。

数据采集系统还可以完成以下任务：用来查找盾构机以前掘进的档案信息，通过与打印机相连打印各环的掘进报告，修改隧道中盾构机的PLC的程序等等。

4.9.2 隧道掘进激光导向系统
隧道掘进激光导向系统主要作用有：
在隧道激光导向系统用电脑显示屏上随时以图形的形式显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，这样在盾构机掘进时，操作者就可以依此来调整盾构机掘进的姿态，使盾构机的轴线接近隧道的设计轴线，这样盾构机轴线和隧道设计轴线之间的偏差就可以始终保持在一个很小的数值范围内。

进一环结束后，隧道掘进激光导向系统从盾构机PLC自动控制系统获得推进油缸和铰接油缸
的油缸杆伸长量的数值，并依此计算出上一环管片的管环平面，再综合考虑被手工输入隧道掘进激光导向系统电脑的盾尾间隙等因素，计算并选择这—环适合拼装的管片类型。

完整的各环掘进姿态及其他相关资料的档案资料。

通过标准的隧道设计几何元素计算出隧道的理论轴线。

可以通过调制解调器和电话线和地面的一台电脑相连，这样在地面就可以实时监控盾构机的掘进姿态。

隧道掘进激光导向系统主要部件有激光经纬仪、带有棱镜的激光靶、黄盒子、控制盒和隧道掘进激光导向系统用电脑。

激光经纬仪临时固定在安装好的管片上，随着盾构机的不断向前掘进，激光经纬仪也要不断地向前移动，这被称为移站。

激光靶则被固定在中盾的双室气闸上。

激光经纬仪发射出激光束照射在激光靶上，激光靶可以判定激光的入射角及折射角，另外激光靶内还有测倾仪，用来测量盾构机的滚动和倾斜角度，再根据激光经纬仪与激光靶之间的距离及各相关点的坐标等数据，隧道掘进激光导向系统就可以计算出当前盾构机轴线的准确位置。

控制盒用来组织隧道掘进激光导向系统电脑与激光经纬仪和激光靶之间的联络，并向黄盒子和激光靶供电。

黄盒子用来向激光经纬仪供电并传输数据。

隧道掘进激光导向系统电脑则是将该系统获得的所有数据进行综合、计算和评估。

所得结果可以被以图形或数字的形式显示在显示屏上。

4.10附属检测设备和应急设施
1、消防器材。

2、气体检测设备用于施工现场有害气体的检测
3、电话。

4、污水泵用于现场渗漏的地下水和施工产生的污泥清理工作。

5、电焊机用于盾构机和运输车钢轨的轨枕的连接
6、气动工具用于管片螺栓的紧固。

5结束语
盾构机在全国各大城市的地铁隧道和江底隧道的建设中都起到关键的作用，对盾构机了解的人还很少，我通过学习进一步地认识了盾构机性能和技术参数，从而能更好的监督管理盾构机的现场施工工作，提高自身的业务水平。

本文中若有不足之处，敬请批评指正。

参考文献
【1】海瑞克S-676土压平衡盾构机说明书。